28. Januar 2009
La Jolla, Kalifornien – „Erinnern Sie sich, wann…?“ So beginnt so manche wehmütige Reise in die Vergangenheit. Aber wie das Gehirn den Überblick darüber behält, was wann passiert ist, ist immer noch eine Frage der Spekulation. Ein von Wissenschaftlern des Salk Institute for Biological Studies entwickeltes Rechenmodell legt nun nahe, dass neugeborene Gehirnzellen – die jeden Tag zu Tausenden erzeugt werden – einen zeitbezogenen Code hinzufügen, der nur für etwa zur gleichen Zeit gebildete Erinnerungen gilt.
„Indem sie zeitgenössische Ereignisse als ähnlich kennzeichnen, ermöglichen uns neue Neuronen, Ereignisse aus einem bestimmten Zeitraum abzurufen“, mutmaßt die Forscherin Fred H. Gage, Ph.D., Professor am Labor für Genetik, der die in der Ausgabe der Zeitschrift vom 29. Januar 2009 veröffentlichte Studie leitete Neuron. Im Gegensatz zu den Zeitstempeln digitaler Fotos liefert der neuronale Zeitcode jedoch nur eine relative Zeitangabe.
Ironischerweise hatten Gage und sein Team nicht versucht zu erklären, wie das Gehirn zeitliche Informationen speichert. Stattdessen interessierten sie sich dafür, warum erwachsene Gehirne im Gyrus dentatus, dem Eingang zum Hippocampus, ständig neue Gehirnzellen hervorbringen. Der Hippocampus, ein kleiner seepferdchenförmiger Bereich des Gehirns, verteilt die Erinnerungen an die entsprechenden Speicherbereiche im Gehirn, nachdem er die Informationen für einen effizienten Abruf vorbereitet hat.
„Mindestens ein Prozent aller Zellen im Gyrus dentatus sind zu jedem Zeitpunkt unreif“, erklärt Hauptautor Brad Aimone, ein Doktorand im Computational Neuroscience Program der University of California, San Diego. „Intuitiv haben wir das Gefühl, dass diese neuen Gehirnzellen für etwas gut sein müssen, aber niemand weiß wirklich, was es ist.“
Jedes dieser neugeborenen Neuronen durchläuft einen längeren Reifungsprozess, bei dem es sich von übererregbar zu gelassen verändert und reife Gehirnzellen erreicht, die bereits gut mit den etablierten Schaltkreisen verbunden sind. Bewegung, Lernen und eine Bereicherung der Umwelt steigern die Proliferation und das Überleben neuer Neuronen, während pathologischer (chronischer) Stress und Alter ihre Zahl sinken lassen. Trotz eines zunehmenden Verständnisses darüber, wie neue Neuronen Teil des bestehenden Netzwerks des Gyrus dentatus werden, ist ihre genaue Funktion immer noch unklar.
Um die Aufgabe der Neuankömmlinge im Gehirn von Erwachsenen zu ermitteln, nahmen die Salk-Forscher alle verfügbaren biologischen Informationen und speisten sie in ein Computerprogramm ein, das die neuronalen Schaltkreise im Gyrus dentatus simulieren sollte. „Die meisten Modellierer testen eine bestimmte Hypothese und bauen darauf ein Modell auf“, sagt Aimone. „Wir haben versucht, keine großen a priori Annahmen über die Funktion neuer Neuronen zu treffen. Stattdessen fragten wir: „Was ist die Biologie und was sagt die Mathematik aus?“
Es wurde schnell klar, dass übermäßig aufgeregte Jugendliche wahllos auf eingehende Informationen reagieren. „Der Schaltkreis im Gyrus dentatus dient dazu, eingehende Erinnerungen in unterschiedliche Ereignisse zu unterteilen, ein Vorgang, der als Mustertrennung bezeichnet wird. Unreife Zellen stören jedoch, indem sie die Linien verwischen“, sagt Aimone. „Und wenn sie das Bild weiterhin durcheinander bringen, hat das fast keinen Sinn.“
Aber nichts hält ewig. Selbst die am stärksten beanspruchten Nervenzellen, die früher durch fast alles erregt wurden, werden irgendwann zur Ruhe kommen. Während sie zu voll funktionsfähigen Körnerzellen heranreifen, nehmen sie ihren Platz in den bestehenden Schaltkreisen ein, während die nächste Generation neugeborener Neuronen ihren Platz einnimmt und auf neue Ereignisse feuert.
Doch unabhängige Ereignisse, die außer der Tatsache, dass sie etwa zur gleichen Zeit stattfanden, nichts gemeinsam hatten, werden nun für immer in unserer Erinnerung verbunden sein – was erklärt, warum die Diskussion über den Film, den wir vor ein paar Monaten gesehen haben, möglicherweise auf den Namen des Cafés zurückkommt, das wir besucht haben danach, aber dessen Name uns entgangen ist.
„Aktuelle Überlegungen gehen davon aus, dass, wenn wir eine bestimmte Erinnerung aufrufen, diese an den Gyrus dentatus zurückgeht, der alle zugehörigen Informationsbits aus ihrem externen Speicher abruft“, sagt Gage. „Unsere Hypothese legt nahe, dass auch Zellen beteiligt sind, die bei der Bildung des Gedächtnisses leicht erregbare Zuschauer waren, und so einen Hyperlink zwischen allen Ereignissen herstellen, die während ihrer hyperaktiven Jugend passierten.“
Die Studie wurde von der James S. McDonell Foundation, dem Kavli Institute for Brain and Mind, dem NSF Temporal Dynamics of Learning Center und den US National Institutes of Health finanziert.
Janet Wiles, Ph.D., Professorin an der School of Information Technology and Electrical Engineering der University of Brisbane, Australien, trug ebenfalls zu der Studie bei.
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Das Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Kalifornien, ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation, die sich grundlegenden Entdeckungen in den Biowissenschaften, der Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen widmet. Jonas Salk, MD, dessen Polio-Impfung 1955 die lähmende Krankheit Poliomyelitis nahezu ausgerottet hatte, eröffnete das Institut 1965 mit einer Landspende der Stadt San Diego und der finanziellen Unterstützung des March of Dimes.
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